Introducción a los sitemas digitales

TEMA 1. APUNTES DE CLASE DE TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES. CURSO 20003/04
TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DIGITALES.
1.1. Sistemas Analógicos y Digitales.
Magnitud analógica es aquélla que puede tomar cualquier valor real dentro de un margen determinado
de forma continua.
Ej: la temperatura en la habitación:
---x----x----------------------x------ T
20 21.5
30
Ej: velocidad de un coche: 72,3 Km/h.
Ej: Estatura de una persona: 1,83 m.
2
Ej: Cantidad de lluvia caida: 13,2 l/m .
El mundo es analógico, esencialmente.
Magnitud digital es aquélla que sólo puede tomar un valor dentro de un conjunto finito de valores
prestablecidos.
Ej: el grupo al que pertenece un alumno de 1º: 1º A, 1º B, 1º C, 1º D.
Ej: la carrera universitaria elegida (DERECHO, INGENIERIA, MEDICINA).
Ej: los meses del año (ENERO, FEBRERO, ... DICIEMBRE).
Magnitud digital binaria es aquélla que sólo puede tomar un valor dentro de un conjunto de 2 valores
posibles.
Ej: cualquier pregunta cuya respuesta sea: SI,NO.
Todas ellas son fácilmente asimilables a SI/NO, Verdadero/Falso, Todo/Nada, 0/1.
Toda la informática se basa en magnitudes digitales binarias.
Se trabaja con los dos estados de una magnitud binaria, representados habitualmente como 0, 1, y
físicamente representados por dos niveles de tensión distintos (pueden ser 0 V y 5 V).
¿Por qué 2 niveles y no más?
Porque tecnológicamente es muy fácil fabricar dispositivos que presenten dos estados bien
diferenciados, y no es tan fácil si el número de estados es mayor.
Existe una herramienta matemática muy sencilla y adecuada para representar y procesar la
información: la lógica binaria.
COMPARACION:
Ventajas Digitales / Inconvenientes Analógicos.
Mayor inmunidad al ruido.
Sencillez y economía al manejar pocos valores.
Seguridad y precisión.
Facilidad de almacenamiento.
Ventajas Analógicos / Inconvenientes Digitales.
El mundo real es ANALOGICO (CONVERSION A/D).
1.2. Sistema de Numeración Binario.
Base 10 (decimal).
2
1
0
432 = 4⋅10 +3⋅10 +2⋅10
[0,1,....9]
1
TEMA 1. APUNTES DE CLASE DE TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES. CURSO 20003/04
Especial interés.
Base 2 (binaria).
3
2
1
0
1001 = 1⋅2 +0⋅2 +0⋅2 +1⋅2 = 9
[0,1]
Base 8 (octal)
[0,1,...7]
Base 16 (hexadecimal)
[0,1,... 9, A, B, C, D, E, F]
1
0
Ej: 4DH=4D(16 = 4⋅16 +13⋅16 = 77
Si hay decimales, se usan las potencias negativas:
1
0
-1
Ej: 54,3(8 = 5⋅8 +4⋅8 +3⋅8 = 44,375
El paso de cualquier base a decimal es el ya visto.
Vamos a ver el contrario. Poner 12 en base 8. Se puede hacer de dos formas.
Primera forma. Haciendo la tabla a mano:
Decimal
Octal
00
00
01
01
02
02
03
03
04
04
05
05
06
06
07
07
08
10
09
11
10
12
11
13
12
14
13
15
Segunda forma. Si dividimos 12 entre 8 sale un cociente y un resto. Teniendo en cuenta que en una
división
Dividendo= Divisor * Cociente+ Re sto
queda
12
8
Es decir 12 = 8*1 + 4
4
1
o bien
12 = 1 * 81 + 4 * 8 0
Los coeficientes que acompañan a las potencias de 8 son 1 y 4, precisamente el último cociente
menor que la base (en este caso 8) y los restos (en este caso sólo 1) en orden contrario a cómo
aparecieron.
Otro ejemplo: expresar 92 en base 8
92
8
Es decir 92 = 8*11 + 4, pero a su vez 11 se puede poner
4
11
8
como 11 = 8*1 + 3, con lo cual 92 se puede expresar
3
1
como 92 = 8*[8*1 + 3] + 4 = 1*8 + 3*8 + 4*8 .
2
1
0
Es decir 92 en octal se expresaría como 134, que coincide con la lectura del último cociente y los
restos de las operaciones en sentido contrario al de aparición.
Esta es la forma general de cambiar de base, en particular para base 2. Ejemplo: 120 = 111100002.
Se debe observar que en base 2 cada 1 contribuye con importancia doble que se vecino de la
derecha. Cada uno contribuye con una importancia que es una potencia de 2. Por tanto, otra forma de expresar
un número en binario consiste en descomponerlo como suma de potencias de 2 y poner 1 en los lugares
correspondientes. El 120 = 64+32+16+8. Para ello 120-64=56, 56-32=24, 24-16=8.
Los cambios entre las bases 2, 8 y 16 son inmediatos, sin necesidad de pasar por base 10.
Base 2 a 8 y viceversa. Agrupaciones de 3 <=====> carácter octal.
Base 2 a 16 y viceversa. Agrupaciones de 4 <=====> carácter hexadecimal.
2
TEMA 1. APUNTES DE CLASE DE TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES. CURSO 20003/04
Ejemplos:
564(8= 101 110 100(2
,
92ª(16= 1001 0010 0110(2,
010 101 001(2=451(8
0001 0100 1011(2=14B (16
Una forma especialmente rápida de pasar un número a binario es mediante el paso intermedio por
hexadecimal. Ej: 179 = B3(16 = 10110011(2.
Con decimales: Entre bases 2, 8 y 16 es directo. Ej: 110,101(2 = 6,5(8
De base 10 a cualquier base se hace así:
Ejemplo: Pasar 13,2 a octal.
13,2 = 13+0,2. 0,2x8=1,6; 0,6x8=4,8; 0,8x8=6,6 etc...
13,2=15,146... en octal
Otro ejemplo: Pasar 25,4 a binario:
25=11001(2
0,4x2=0,8;
0,2x2=0,4
0,8x2=1,6
0,6x2=1,2
0,4x2=0,8 y se repite.
25,4 = 11001,0110 0110 0110 0110.
n
La multiplicación y división rápidas por 2 en binario.
Para multiplicar un número binario por 2, se desplaza una posición a la izquierda, rellenando con ceros
la derecha.
n
Para multiplicar un número binario por 2 , se desplaza “n” posiciones a la izquierda, rellenando con
ceros la derecha.
Para dividir un número binario por 2, se desplaza una posición a la derecha, pasando la unidad a la
derecha de la coma.
n
Para dividir un número binario por 2 , se desplaza “n” posiciones a la derecha, pasando “n” bits a la
derecha de la coma.
Suma en binario (tabla de sumar):
C0 a b | a+b C1
---------+--------0 0 0 |
0
0
0 0 1 |
1
0
0 1 0 |
1
0
0 1 1 |
0
1
1 0 0 |
1
0
1 0 1 |
0
1
1 1 0 |
0
1
1 1 1 |
1
1
Ejemplo:
7 + 5 = 12
7:
5:
12:
0 1 1 1
0 1 0 1 +
----------1 1 0 0
Las operaciones dan el mismo resultado independientemente de la base.
A cada uno de los 0, 1 se les llama dígito binario (BINARY DIGIT). BIT.
n
Con n bits se pueden representar 2 números distintos. Ejemplo n = 3.
n-1
000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 que representan de 0 a 7. Desde 0 hasta 2 .
Si queremos signo hace falta un bit más o sacrificar un bit en detrimento del margen de
representación.
Se llama bit más significativo, también conocido por las iniciales inglesas MSB (Most Significative Bit)
al bit de mayor peso, el colocado a la izquierda, de un número binario.
3
TEMA 1. APUNTES DE CLASE DE TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES. CURSO 20003/04
Se llama bit menos significativo, también conocido por las iniciales inglesas LSB (Least Significative
Bit) al bit de menor peso, el colocado a la derecha, de un número binario.
Ejemplo:
100110 00 1
LSB
MSB
1.3. Representación de números enteros.
a) Signo magnitud:
Margen de representación
<----- n bits ----->
+------------------+
Positivos|0| Valor absoluto |
+------------------+
S
Desde -(2
n-1
-1) hasta +(2
n-1
-1)
+------------------+
El 0 tiene doble representación
Negativos|1| Valor absoluto |
+------------------+ Ej: n=4, desde -7 hasta +7, pasando doble 0.
S
b) Complemento a 1:
Margen de representación
<----- n bits ----->
+------------------+
Positivos|0| Valor absoluto |
+------------------+
S
Desde -(2
n-1
-1) hasta +(2
n-1
-1)
+------------------+
El 0 tiene doble representación
Negativos|1| Cambiar 0x1,1x0|
+------------------+ Ej: n=4, desde -7 hasta +7, pasando doble 0.
S
c) Complemento a 2:
Margen de representación
<----- n bits ----->
+------------------+
Positivos|0| Valor absoluto |
+------------------+
S
Desde -(2
n-1
) hasta +(2
n-1
-1)
+------------------+
El 0 tiene representación simple.
Negativos|1| Complem a 1+1 |
+------------------+ Ej: n=4, desde -8 hasta +7, pasando simple 0.
S
Ej: poner -5 en complemento a 2.
ca1
+5: 0101 ------->
ca2
1010 ---------> 1011. Como empieza por 1 es NEGATIVO.
La operación de complemento a 2 es reversible, es decir el ca2 de 1011 es: 0100 + 1 = 0101
Decimal
+7
+6
+5
+4
+3
+2
+1
0
0
-1
Signo-Magnitud
0111
0110
0101
0100
0011
0010
0001
0000
1000
1001
Complemento a 1
0111
0110
0101
0100
0011
0010
0001
0000
1111
1110
Complemento a 2
0111
0110
0101
0100
0011
0010
0001
0000
---1111
4
TEMA 1. APUNTES DE CLASE DE TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES. CURSO 20003/04
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
1010
1011
1100
1101
1110
1111
----
1101
1100
1011
1010
1001
1000
----
1110
1101
1100
1011
1010
1001
1000
Para restar, se hace la suma del minuendo con el ca2 del sustraendo.
Casos posibles. Ejemplos
1º caso: resultado positivo correcto.
7-5=+7+(-5)
0111
1011 +
-----0010
+7
-5
+2
2º caso: resultado negativo correcto.
5-7=+5+(-7)
0101
1001 +
-----1110
+5
-7
-2
3º caso: resultado positivo con desbordamiento (OVERFLOW).
7+5=12
0111
0101 +
-----1100
+7
+5
FALSO, bit de signo -
4º Caso: resultado negativo con desbordamiento (OVERFLOW).
-7-5 = -7+(-5)
1001
1011 +
-----0100
-7
-5
FALSO, bit de signo +
Veamos cómo en los dos últimos casos con 1 bit más no se produce desbordamiento
3º caso: resultado positivo sin desbordamiento.
7+5=12
00111
00101 +
-----01100
+7
+5
+12 CORRECTO
4º caso: resultado negativo sin desbordamiento.
-7-5 = -7+(-5)
11001
11011 +
-----110100
-7
-5
-12 CORRECTO
1.4. Códigos más usuales.
BINARIO: Simplemente pasar a base 2.
BCD natural o simplemente BCD: Binary Coded Decimal. Decimal codificado en binario. Igual que en binario
pero sólo con los 10 dígitos decimales (desde 0 hasta 9, ambos incluidos). Relación de pesos 8 4 2 1
(ponderado).
BCD exceso 3: un número en BCD exceso 3 se representa igual que dicho número más 3 en BCD (no es
ponderado). Autocomplementario. El código de N es el ca1 del código de 9-N. Ejemplo, el código de 3 es el
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TEMA 1. APUNTES DE CLASE DE TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES. CURSO 20003/04
complemento a 1 del código de 9 – 3 = 6.
BCD Aiken: La relación de pesos no es 8 4 2 1 como en BCD natural, sino 2 4 2 1 (ponderado).
Autocomplementario. Se pueden definir códigos BCD con otra relación de pesos distinta, incluso de pesos
negativos.
GRAY: Entre dos códigos consecutivos sólo hay un bit de diferencia, considerando el primero (0000) y el
último (1000) como consecutivos también. Código reflejado. La 2º mitad es la imagen especular de la primera,
cambiando el primer bit. Se genera a partir del binario poniendo el MSB igual y los restantes bits con el
siguiente criterio: si no hay cambio de bit se pone un 0 y si hay cambio de bit se pone un 1. Ejemplo, 4 ==
0100 en binario y 4 == 0110 en GRAY.
JOHNSON 5 bits: va aumentando el número de unos desde la derecha, y posteriormente disminuye por la
izquierda (no es ponderado).
Decimal BINARIO BCD
BCD
natural exceso 3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
NO
NO
NO
NO
NO
NO
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
NO
NO
NO
NO
NO
NO
BCD
Aiken
GRAY
JOHNSON
5 bits
0000
0001
0010
0011
0100
1011
1100
1101
1110
1111
NO
NO
NO
NO
NO
NO
0000
0001
0011
0010
0110
0111
0101
0100
1100
1101
1111
1110
1010
1011
1001
1000
00000
00001
00011
00111
01111
11111
11110
11100
11000
10000
NO
NO
NO
NO
NO
NO
6